Учет и движение сотрудников по отделу кадров ТЭАКТ

1 Общая часть

 

 

1.1 Усилитель низких частот

 

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20.000 Гц по уровню -3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств — телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

Усилители низкой частоты  являются неотъемлемым звеном практически  любой аудиосистемы, независимо от уровня ее сложности и области  применения. Существует много факторов, позволяющих характеризовать и  делить на категории УНЧ по методам  работы и эксплуатационным свойствам. К ним относятся тип применяемых усилительных элементов (полупроводники или лампы), коэффициент передачи (обычно, по напряжению в дБ), диапазон воспроизводимых частот, уровень нелинейных искажений, КПД, величина потребляемого тока и напряжение питания, собственный уровень шумов, входные/выходные параметры, предельно допустимые режимы работы и многие другие. Кроме этого, усилители мощности можно классифицировать по назначению, а именно, автомобильные УНЧ, УНЧ для применения дома и на улице.

Традиционно, при построении УНЧ используют дискретную элементную базу и многочисленные отработанные схемотехнические решения. Классическим примером таких усилителей являются хорошо зарекомендовавшие себя конструкции, которые можно собрать из наборов МАСТЕР NM2011 и NM2012 (В. Чулков, «Универсальный усилитель мощности», Радиохобби, 2000, N6).

На сегодняшний день, уровень развития интегральной полупроводниковой  техники позволяет создавать  УНЧ в интегральном исполнении с  характеристиками, в большинстве случаях эквивалентными дискретным усилителям мощности, а порой даже на порядок лучшими. Подобные интегральные УНЧ обладают рядом неоспоримых преимуществ: они несоизмеримо меньше в размерах и существенно дешевле своих дискретных аналогов. Кроме того, как показывает практика, такие УНЧ удовлетворяют потребности практически любого пользователя.

Усилители могут быть классифицированы по различным признакам: назначению, типу усилительных элементов, частотной полосе и т.п. По типу применяемых усилительных элементов различают транзисторные, ламповые, комбинированные, усилители на интегральных микросхемах. По виду амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) выделяют усилители постоянного тока, нижняя граница полосы пропускания которых равна нулю; усилители переменного тока; селективные (узкополосные) усилители, АЧХ которых имеет вид частотной характеристики избирательного полосового фильтра; апериодические (широкополосные, импульсные) усилители, полоса усиления которых соизмерима со значением центральной частоты пропускания. С точки зрения спектрального диапазона усиливаемого сигнала выделяют усилители звуковой (низкой) частоты (УЗЧ, УНЧ); усилители промежуточной частоты (УПЧ), усилители высокой частоты (УВЧ) радиоприёмных устройств. Кроме того возможна классификация усилителей по мощности, режимам работы, выполнению специальных функций. Все усилители можно подразделить на два класса – с линейным режимом работы и нелинейным. К усилителям с линейным режимом работы предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному (пропорциональном усилении мгновенных значений входного сигнала). Одной из основных характеристик усилителей с линейным режимом работы, как линейных четырёхполюсников, является комплексный коэффициент передачи по напряжению (току):

 

 (1.1)

 

Величина K_u (f) является комплексной, т.е. характеризует изменение, как амплитуды, так и фазы сигнала на выходе усилителя по сравнению с их значениями на входе. Модуль коэффициента передачи усилителя K_u (f) называют коэффициентом усиления. Зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты, определённого для гармонического  входного сигнала, является амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи от частот _u (f) называется фазово-частотной характеристикой усилителя. Часто для достижения необходимого коэффициента усиления K_u используют многокаскадные усилители, в которых выходное напряжение предыдущего каскада является входным для следующего каскада и общий коэффициент усиления равен K_u = K_u1 * K_u2 * K_u3 *...* K_un .

Коэффициент усиления в ряде случаев  принято выражать в децибелах

 

 (1.2)

 

Для многокаскадного усилителя: K_дб = K_1дб + K_2дб + K_3дб + ...+ K_nдб .

В усилителях с нелинейным режимом  работы пропорциональность в передаче мгновенных значений входного сигнала отсутствует. К усилителям с нелинейным режимом работы можно отнести, например, усилители-ограничители и логарифмические усилители.

 

 

1.2 История усилитель низких частот

 

Еще в XIX веке появилась необходимость  в устройствах, способных значительно увеличивать мощность электрических сигналов, связанная с изобретением телеграфа и радио.

В начале 20-го века был изобретен  способ преобразования акустического  сигнала в электрический, который  основывался на способности  угольного порошка менять свое электрическое сопротивление под воздействием вибраций. В 1903 году специалисты телефонной компании Bell построили первый телефон, а в 1911 году заработала первая телефонная линия между Нью-Йорком и Чикаго.

Скоро стало понятно, что для передачи информации на большие расстояния электрическим сигналам нужна большая мощность.

Эра усилителей мощности началась уже  в 1912 году, когда корпорация Western Electric выпустила первый телефонный усилитель. Это стало возможным благодаря  Ли Ди Форесту. В 1906 году он экспериментировал с вакуумным диодом и в результате, с помощью промежуточного электрода, получил способ управлять током, протекающим в лампе (рисунок 1.1).

Ламповые усилители в первой половине XX века получили стремительное  развитие. Именно в это время благодаря ламповым усилителям на «большую сцену» вышли электрогитары, появилось много новых музыкальных направлений. Так начался «роман лампы и музыки».

 

Рисунок 1.1 - Первый триод Ли Ди Фореста

 

В декабре 1947 года в Лабораториях Белла «родился» транзистор – небольшой твердотельный полупроводниковый элемент. Аналогично ламповому триоду транзистор имел возможность управлять величиной протекающего тока коллектора с помощью небольшого по величине базового тока. Иными словами, транзистор мог использоваться для усиления электрических сигналов.

Точечно-контактный транзистор Бардина  и Браттейна представлял собой  хрупкое устройство, состоящее из двух близкорасположенных металлических  контактов, прижатых к кристаллу  германия. Первые транзисторы были крайне несовершенны – имели высокий уровень шума, значительный разброс параметров и низкую надежность. «В первое время работа транзистора была способна измениться, если кто-то хлопнул дверью», – писал руководитель команды разработчиков Джек Мортон в статье журнала "Fortune" за 1953 год.

 

Рисунок 1.2 - Конструкция первого транзистора Бардина – Браттейна

В отличие от ламп, развитие которых  довольно быстро остановилось, транзисторы  стремительно совершенствовались. В 1954 году Моррис Таненбаум создал первый кремниевый транзистор, а в 1955 году - кремниевый транзистор с диффузионной базой толщиной в 1 микрон, работающий на частотах свыше 100 МГц. Уже в 1961 году корпорация Fairchild Semiconductor под руководством Роберта Нойса (будущего основателя компании Intel) адаптировала эти кремниевые технологии для создания первых коммерческих интегральных схем.

Современные полупроводниковые элементы также выполнены на основе кремния, обладают отличными характеристиками, незначительно уступающими ламповым триодам. А по эксплуатационным данным - габаритным размерам, массе, надежности и сроку службы - значительно их превосходят.

 

 

1.3 Сравнение ламповых и транзисторных усилителей

 

За всю историю создания усилителей мощности звуковой частоты разработано  огромное количество схемотехнических решений.

Как показывает практика, транзисторные  усилители (рисунок 1.3) при их правильном использовании по объективным техническим  характеристикам значительно превосходят  ламповые (рисунок 1.4). Тем не менее, многие специалисты отдают предпочтение ламповым усилителям, несмотря на их заоблачную стоимость.

Рисунок 1.3 - Современный транзистор

 

Принято считать, что ламповый усилитель  имеет более правильное звучание, характеризуемое терминами «прозрачность», «четкость», «детальность» и т.д. Строго говоря, такое мнение не совсем субъективно.

Чтобы предугадать разницу в  звучании ламповых и транзисторных  усилителей необходимо рассмотреть  на физическом уровне различия между  транзисторами и лампами(таблица 1 1).

Рисунок 1.4 - Современная лампа

 

Таблица 1.1 – Краткие характеристики усилителей

Показатели	Лампа - триод		Полевой транзистор		Биполярный транзистор
Тип проводимости	Электронная (через вакуум)		Электронная или дырочная (через  канал в кристалле кремния)		Электронная или дырочная (через 2 барьера: эмиттер – база и база - коллектор)
Входная нелинейность	Отсутствует		Отсутствует на НЧ		Пропорциональна величине тока коллектора и обусловлена нелинейностью  ВАХ база - эмиттер
Выходная нелинейность	Пропорциональна корню третей степени из величины тока анода		Пропорциональна квадратному корню  величины тока стока		Пропорциональна величине тока коллектора
Термочувствительность	Отсутствует		Ток стока и крутизна зависят  от мгновенной температуры кристалла		Ток коллектора и коэффициент усиления по току зависят от мгновенной температуры кристалла
Выходное сопротивление	В два раза меньше сопротивления  нагрузки	Как правило, больше сопротивления  нагрузки		Больше сопротивления нагрузки

 

Биполярный транзистор отличается от лампы термочувствительностью основных параметров, большей нелинейностью входных и выходных характеристик. Кроме этого, лампа превосходит транзистор удобством согласования своего внутреннего сопротивления с сопротивлением громкоговорителя. Полевой транзистор занимает среднее положение между биполярным транзистором и лампой-триодом.

На первый взгляд, в качестве усилительных элементов, предпочтительнее использовать лампы. Несмотря на кажущуюся очевидность, такое решение не является взвешенным.

На помощь транзисторам приходит схемотехническая хитрость – «отрицательная обратная связь» (ООС). Практически все усилители мощности охвачены местными и общими обратными связями. Они линеаризуют усилитель, уменьшают его выходное сопротивление, расширяют диапазон частот, делают его работу стабильной и независимой от колебаний температуры кристаллов. В итоге, транзисторные усилители обладают великолепными техническими характеристиками. Кроме того, применение биполярных и полевых транзисторов обеспечивает более высокий КПД, массогабаритные показатели и, что немало важно, существенно меньшую стоимость.

Однако не стоит забывать, что  в каждом явлении имеются как  положительные, так и отрицательные  стороны. Интермодуляционные искажения  в выходном сигнале, его размывание по времени и разрушение «фазовой картины» – плата за использование отрицательной обратной связи. Присутствие в музыкальном сигнале даже небольших по величине продуктов интермодуляции высших порядков вызывает у слушателя ощущение «металличности», «жесткости». Чаще всего такое звучание характеризуют как ненатуральное. Обилие реактивностей в усилительных каскадах приводит к «многопутевому» распространению сигнала и фазовой деструктуризации.

Размывание сигнала вызвано  тем, что через цепь обратной связи  он многократно возвращается на вход усилительного каскада. В результате, на выходе, помимо самого сигнала, появляется множество откликов задержанных по времени и смещенных по фазе. Время размывания сигнала для общей обратной связи может достигать 100мс и более. В итоге, наиболее заметным последствием действия на звук общей ООС является ухудшение динамики и ослабление энергичности музыкального звучания.

Необходимо отметить, что в транзисторном  усилителе без ООС не обойтись, так как для того чтобы обеспечить даже скромные значения нелинейных искажений и приемлемое выходное сопротивление, усилитель на транзисторах должен иметь, как минимум, глубокие местные ООС. Местные ООС лучше чем общие ведут себя на звуке, и обеспечивают меньшие по величине задержки и более короткий период размывания сигнала. Применение качественных «звуковых» транзисторов позволяет отказаться от общей ООС и получить от усилителя «четкость», «прозрачность», «динамичность» и «энергичность» воспроизведения.

 

 

Рисунок 1.5 - Современные ламповые и транзисторные усилители мощности

 

Ламповые усилители мощности с  ООС, по изложенным выше причинам, практически  не используются. Тем не менее, и  в них есть элемент, ухудшающий качество звучания – выходной трансформатор, который предназначен для согласования выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Но вред от ООС оказывается большим, чем от применения выходного трансформатора.

Причина «натурального» звучания лампового  усилителя заключается в его  «гениальной» простоте. При этом его  стоимость может достигать нескольких сотен тысяч долларов. В силу высокой стоимости, низкого КПД и низкой выходной мощности ламповые усилители звуковой частоты сегодня интересны только истинным ценителям музыки и занимают почетное место только среди прочего Hi-End оборудования в звуковых студиях. А транзисторные усилители широко используются, поскольку имеют высокую надежность, большую выходную мощность и удобство в эксплуатации.